第一章電力電子器件驅動及串并聯(lián)課件

§1.6電力電子器件器件的驅動§1.6.1電力電子器件驅動電路概述§1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路§1.6.3典型全控型器件的驅動電路§1.6電力電子器件器件的驅動§1.6.1電力電子器1§1.6.1電力電子器件驅動電路概述一．驅動電路作用：主電路與控制電路之間的接口

★使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗，對裝置的運行效率、可靠性、安全性有重要的意義；

★器件或整個裝置的保護電路通常設在驅動電路中，或通過驅動電路實現(xiàn)。二．驅動電路的基本任務★將信息電子電路傳來的控制信號按要求轉換成加在電力電子器件控制端與公共端之間的驅動信號，保證其可靠開通或關斷；★

對半控型器件只需提供開通控制信號；★

對全控型器件則既要提供開通控制信號，又提供關斷控制信號；★驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，電氣隔離環(huán)節(jié)一般采用光電隔離或磁電隔離的型式。§1.6.1電力電子器件驅動電路概述一．驅動電路作用：主2§1.6.1電力電子器件驅動電路概述★光隔離一般采用光耦合器★磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERA）普通型

B）高速型C）高傳輸比型UINUOUTIDR1R1R1IC§1.6.1電力電子器件驅動電路概述★光隔離一般采用光3§1.6.1電力電子器件驅動電路概述三．從提供的驅動信號的類型可分為兩類1．電流驅動型驅動電路2．電壓驅動型驅動電路四．從電路的具體形式可為兩種類型1．分立元件驅動電路2．專用集成驅動電路但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路

★雙列直插（數(shù)字）式集成驅動電路；★混合集成驅動電路（將光耦隔離電路也集成在內）；★為達到參數(shù)的最佳配合，器件廠家生產有配套的集成驅動電路；★不同的電力電子器件都有自己的專用集成驅動電路?！?.6.1電力電子器件驅動電路概述三．從提供的驅動信號4§1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路一．作用：產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管的可靠導通圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形二．對晶閘管觸發(fā)電路的要求1．脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通；（IA大于擎住電流IL）2．觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度

3．不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內。4．應有良好的抗干擾性能和溫度穩(wěn)定性以及與主電路的電氣隔離。t1~t2：脈沖前沿上升時間<1st1~t3：強脈寬度t1~t4：脈沖寬度≥0.5mSIGT

：最大觸發(fā)電流Itt1t2t3t4IM強脈沖幅值3IGT~5IGT脈沖平頂幅值1.5IGT~2IGT§1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路一．作用：產生符合要求的門5§1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路三．常見的晶閘管觸發(fā)電路（1）V1、V2構成脈沖放大環(huán)節(jié)（2）脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環(huán)節(jié)TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2★

V1、V2

導通時，通過脈沖變壓器TM向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖；★當V1、V2由導通變?yōu)榻刂箷r，脈沖變壓器通過VD1

和R3釋放其儲存的能量。圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路§1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路三．常見的晶閘管觸發(fā)電路TM6§1.6.3典型全控型器件的驅動電路一．電流驅動型器件的驅動電路★

其開通控制與普通晶閘管相似，但對脈沖前沿的幅值和陡度要求高，一般需在整個導通期間施加正門極電流；★

其關斷時需施加負門極電流，對其幅值和陡度的要求更高，關斷后還應在門陰極之間施加約5V的負偏壓以提高抗干擾能力；★驅動電路通常包括開通、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分；★可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形1．GTO的驅動電路OttOuGiG正的門極電流5V的負偏壓§1.6.3典型全控型器件的驅動電路一．電流驅動型器件的7★該電路是目前應用較廣的一種電路，他可避免電路內部相互干擾和寄生振蕩，獲得較陡的脈沖前沿，但其功耗大，效率較低●

V1導通輸出正強脈沖；V2

導通輸出脈沖平頂部分●

V2

關斷而V3

導通輸出負脈沖；V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓典型的直接耦合式GTO驅動電路50kHz50VGTON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LVD1VD2VD3VD4+15V+5V-15VVD1

C1整流電路提供＋5V電壓VD2VD3C2C3倍壓整流電路提供＋15VVD4

C4整流電路提供－15V電壓★該電路是目前應用較廣的一種電路，他可避免電路內部相互干擾8一．電流驅動型器件的驅動電路2．GTR的驅動電路★開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態(tài)，使之不進入放大區(qū)和深飽和區(qū)；★關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。

圖1-30理想的GTR基極驅動電流波形tOib關斷GTR時，施加一定的負基極電流，有利于減?。宏P斷時間

關斷損耗一．電流驅動型器件的驅動電路2．GTR的驅動電路★開通驅9★

一種GTR的驅動電路：包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分●

如V5驅動電流過大，會使V過飽和。貝克箝位電路（抗飽和電路）會在V過飽和時，因其集電極電位低于基極電位，VD2自動導通，使多余的驅動電流流入集電極，維持Ubc≈0；●

C2為加速電容，V5導通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅動電流的過沖、增加前沿陡度，以加快開通。光電隔離VD2,VD3構成貝克箝位電路VS雙向穩(wěn)壓管★一種GTR的驅動電路：包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分10二．電壓驅動型器件的驅動電路★驅動電路的基本特征：●電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件；●柵源間、柵射間存在數(shù)千皮法的電容，為加快柵源間驅動電壓的建立，要求驅動電路的輸出電阻盡可能小；●

MOSFET開通的驅動電壓一般為：10～15VIGBT開通的驅動電壓一般為：15～20V●關斷時要施加一定幅值的負驅動電壓：－5～－15V有利于減小關斷時間和關斷損耗；●在柵極串入一只數(shù)十歐左右的電阻，可以減小寄生振蕩。二．電壓驅動型器件的驅動電路★驅動電路的基本特征：11二．電壓驅動型器件的驅動電路電力MOSFET的一種驅動電路★專用MOSFET混合集成驅動電路M57918L（三菱公司產品），輸出最大脈沖電流：＋2A和－3A，輸出驅動電壓：15V和－10V；輸入信號電流幅值：16mA?！?/p>

無輸入信號時，A輸出負電平，V3導通輸出負驅動電壓；●

有輸入信號時，A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓；

1．MOSFET的驅動電路：光電隔離高速放大器放大驅動電路二．電壓驅動型器件的驅動電路電力MOSFET的一種驅動電122．IGBT的驅動：多采用專用的混合集成驅動器如：三菱公司的M579系列：M57959L、M57962L；富士公司的EXB系列：EXB840、EXB850等；

圖1－33

M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖★具有內部退飽和檢測和保護環(huán)節(jié)，產生過電流時能快速響應但慢速關斷IGBT，并向外部電路輸出故障信號?！颩57962L的正驅動電壓：＋15V左右，負驅動電壓：－10V。2．IGBT的驅動：多采用專用的混合集成驅動器

圖1－3313§1.7電力電子器件器件的保護

§1.7.1過電壓的產生及過電壓保護§1.7.2過電流保護§1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）§1.7電力電子器件器件的保護§1.7.1過14§1.7.1過電壓的產生及過電壓保護一．電力電子裝置可能的過電壓1．外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外部因素引起

●

操作過電壓由分閘、合閘等開關操作引起；

●雷擊過電壓由雷電引起；2．內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程

●

換相過電壓晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，有較大的反向電流流過，當恢復阻斷能力時，反向電流急劇減小，會因線路電感在器件兩端感應出過電壓；

●

關斷過電壓全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而因線路電感在器件兩端感應出的過電壓§1.7.1過電壓的產生及過電壓保護一．電力電子裝置可能15二．電力電子裝置的過電壓保護●上述保護電路視具體情況采用其中的幾種；●

其中RC3

和RCD為抑制內因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。圖1-34過電壓抑制措施及配置位置閥側浪涌過電壓抑制用RC電路空氣開關靜電感應過電壓抑制電容刀開關變壓器靜電屏蔽層避雷器直流側RC抑制電路器件換相過電壓抑制用RC電路壓敏電阻過電壓抑制器閥側浪涌過電壓抑制反向阻斷式RC電路器件關斷過電壓抑制用RCD電路二．電力電子裝置的過電壓保護●上述保護電路視具體情況采用16§1.7.2過電流保護一．過電流：分為過載和短路兩種情況

★快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器（僅適用晶閘管）負載觸發(fā)電路開關電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1-37過電流保護措施及配置位置§1.7.2過電流保護一．過電流：分為過載和短路兩種情況17二．過電流保護措施★同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性；★

快熔是電力電子裝置中有效和應用廣泛的一種過電流保護措施；★選擇快熔時應考慮：

（1）電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定；（2）電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結形式確定；（3）快熔的I2t

值應小于被保護器件的允許I2t

值；（4）為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性；★快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種●

全保護方式：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合；●

短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用；二．過電流保護措施★同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性18二．過電流保護措施★對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備或全控型器件，（很難用快熔保護）采用電子電路進行過電流保護；★全控型器件的驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)

對器件的過電流響應最快；★電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段保護；★直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護；★過電流繼電器整定在過載時動作，實現(xiàn)保護；二．過電流保護措施★對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設備或全控19§1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）★緩沖電路又稱吸收電路，用于抑制器件的：內因過電壓、過電流、du/dt、di/dt，減小器件的開關損耗一．緩沖電路的分類

1．關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗

2．開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗3．復合緩沖電路：將關斷緩沖電路和開通緩沖電路結合在一起

●按吸收能量去向分類：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）

●通常緩沖電路用于專指：關斷緩沖電路而將開通緩沖電路叫做：di/dt抑制電路§1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）★20二．緩沖電路作用分析a）電路b）波形di/dt

抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形關斷時的負載線●

有緩沖電路當V開通時：Cs

通過Rs向V放電，使iC

先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢●有緩沖電路當V關斷時：負載電流通過VDs向Cs

分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt

和過電壓開通時電流迅速上升di/dt很大關斷時du/dt很大出現(xiàn)很高的過電壓二．緩沖電路作用分析a）電路21充放電型RCD緩沖電路適用于中等容量的場合

a）RC吸收電路b）放電阻止型吸收電路

兩種常用的緩沖電路RC

緩沖電路主要用于小容量器件放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件充放電型RCD緩沖電路適用于中等容量的場合a）RC22三．緩沖電路中的元件選取及其他注意事項1．Cs和Rs的取值可由實驗確定或參考工程手冊2．VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電路器件的1/103．盡量減小線路電感，且選用內部電感小的吸收電容4．在中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側設一個du/dt抑制電路5．對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容6．晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關斷過電壓，關斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可三．緩沖電路中的元件選取及其他注意事項1．Cs和Rs的取23§1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

§1.8.1晶閘管的串聯(lián)§1.8.2晶閘管的并聯(lián)§1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點§1.8電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用§1.824§1.8.1晶閘管的串聯(lián)一．串聯(lián)使用的目的和問題1．目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可采用串聯(lián)使用的方法2．問題：串聯(lián)時希望器件分壓相等，但因器件特性的差異，使每個器件承受的電壓不均勻，必須采取均壓措施★靜態(tài)時電壓不均：因器件靜態(tài)伏安特性的分散性，串聯(lián)器件流過相同的漏電流，但各器件承受的電壓不相等

●

承受電壓高的器件可能達到轉折電壓而導通，從而使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用

●

反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿★動態(tài)不均壓：由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓§1.8.1晶閘管的串聯(lián)一．串聯(lián)使用的目的和問題1．目的25§1.8.1晶閘管的串聯(lián)二．靜態(tài)均壓措施和動態(tài)均壓措施1．靜態(tài)均壓措施●器件參數(shù)和特性盡量一致●

采用電阻均壓Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多

a)伏安特性差異

b)串聯(lián)均壓措施

圖1-41晶閘管的串聯(lián)

2．動態(tài)均壓措施●選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件●用RC

并聯(lián)支路作動態(tài)均壓●采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異§1.8.1晶閘管的串聯(lián)二．靜態(tài)均壓措施和動態(tài)均壓措施126§1.8.2晶閘管的并聯(lián)一．目的：用多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流二．問題：因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻三．均流措施：1．盡量挑選特性參數(shù)一致的器件并聯(lián)2．在線路中串接均流電抗進行均流3．對門極觸發(fā)采用強脈沖也有助于動態(tài)均流4．當晶閘管同時需要串并聯(lián)時，應采用先串后并的方法聯(lián)接§1.8.2晶閘管的并聯(lián)一．目的：用多個器件并聯(lián)來承擔較27§1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特點一．電力MOSFET并聯(lián)運行的特點★

Ron

具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián)；★注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)；★電路走線和布局應盡量對稱；★可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用；二．IGBT并聯(lián)運行的特點★在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數(shù)；★在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；★并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián)；§1.8.3電力MOSFET和IGBT并聯(lián)運行的特28本章小結一．主要內容★主要電力電子器件的基本結構、工作原理、基本特性和主要參數(shù)★電力電子器件在使用時應注意的驅動、保護和串、并聯(lián)等問題電力電子器件分類“樹”MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基勢壘二極管SITHGTORCTTRIACLTT晶閘管電力二極管雙極型單極型混合型復合型（（GTR本章小結一．主要內容★主要電力電子器件的29二．電力電子器件類